Устройство для восстановления изображения удаленных объектов Советский патент 1992 года по МПК G06K9/00 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может быть использовано для восстановления изображения удаленных объектов, наблюдаемых через искажающую среду (атмосферу) как в астрономии, так и при наблюдении земных объектов.

Известны устройства, используемые в целях восстановления изображения, в кбто- рых принятое изпучение расщепляется на два пучка, образующие интерференционную картину, видность которой определяет комплексную функцию когерентности (КФК) светового поля на зрачке телескопа.

В отсутствии атмосферных искажений КФК поля излучения удаленного объекта является спектром распределения интенсивности на этом объекте.

- Восстановление изображения осуществляется путем усреднения КФК, определенной по ряду короткоэкспозиционных интер- ферограмм с независимыми искажениями.

Время наблюдения объекта для этих устройств многогранно Многократно превосходит время одной экспозиции (число усреднений обычно составляет 50-1000).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство Для восстановления изображения удапен- ных объектов, содержащее телескоп, светоделитель, два отражателя, фазосдвигающие оптические клинья, расположенные на пути расщепленных лучей, и блок регистрам Для осуществления восстановления изображения в точках интерференционной картины определяются средние значения интенсивности, квадрата интенсивности и произведения интенсивностей в соседних отсчетных точках. Устройство позволяет сократить время обработки данных и получить

результат сразу по окончании наблюдения, однако минимальное время наблюдения многократно превышает время регистрации одной интерференционной картины,« то делает невозможным наблюдение короткожи- вущих или быстродвижущихся объектов.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет расширения класса наблюдаемых объектов.

На чертеже показана оптическая схема устройства.

Устройство содержит поляризатор 1, светоделители 2-4 (куб-призм ы С полупрозрачной диагональю), светоетражатели 5-7, первую полуволновую пластину 8, призму Дове 9, вторую полуьолновую пластину 10 и блок 11 регистрации интерферограммы, данные которого в виде оцифрованной интерференционной картины.вводятся в ЭВМ для последующей отработки.

Устройство содержит также телескоп (не показан), оптически связанный с поляризатором 1.

Поляризатор 1 ориентирован так, что вырезает х- либо у-поляризацию излучения, лежащую в плоскости падения луча, на элементы 2-7 (в плоскости чертежа), либо ортогональную ей. Отражающая грань призмы Дове образует с плоскостью чертежа угол

-, оптические оси пластин 8 и 10 параллельны друг другу и образуют с плоскостью чер.7Г,3 ЭЪ

f ежа угол -п (или -Q-)Плоскость светоотражателя 7 образует с направлением падающего на нее луча угол

я ,

д+а , где а - угол порядка нескольких

угловых диаметров изображения, что эквивалентно введению между светоделителем 3 и призмой Дове воздушного оптического клина 12.

Устройство работает следующим образом,

На выходе устройства складываются че- тыре луча, проделавшие следующие пути1 abfba (луч 1.1); асеса (луч 1.2); acdba (луч 2); abcfca (луч 3).

Поскольку оптические длины всех путей равны друг другу, лучи 1.1 и 1,2 переносят тождественные проекции входного поля Е (х,у) в выходную плоскость устройства и в сумме дают луч 1 с распределением поля

2 Ei(x,y) (x,y)

Луч 2 направляется светоделителями 2 и А на полуволновую пластину 8. которая поворачивает его плоскость поляризации

71

на 2j, проходит призму Дове 9, которая преобразует поле Е(х,у) на входе призмы в поле Е(у,х) на выходе, полуволновую пластину 10, которая восстанавливает первоначальное направление поляризации, отражается све- тоотражателем 7, получает фазовый набег exp(lkdx), где k - волновое число, в эквивалентном клине 12 и направляется светоделителями 3 и 2 на выход интерферометра.

Поле луча 2 в выходной плоскости имеет вид

Е2(х,у) 4 E(y-x)exp(-lkdx).

Луч 3 описывает Tyke петлю в противоположном направлении, проходя эквивалентный клин 12 до призмы Дове, которая переводит фазовый набег exp(ikdx) в exp(ikciy), и выходит из интерферометра с распределением поля по сечеьию

Ез(х,у) - -ц E(-y,x)exp(lkdy).

Поле в выходной плоскости устройства имеет вид:

E fx.y.t) Ei + Е2 + Ез |{ v5E(x,y.t) +

(D

+ E(yrx,t)e ikdx + E(-y,x,t)elkdy).

Входное поле E(r,t) можно представить

в виде:

E(ft)Eo0exp(l95())

гЧх,у),(2)

где Ј0(б - входное поле с равномерной интенсивностью , каким оно было бы в отсутствии искажений;

$rtt) - фазовые искажения, вносимые атмосферой (амплитудными искажениями пренебрегают в силу их малости).

КФК поля Ео{г|, определяемая как

S(2r} E0(r}E(-rV4}0,

(3)

согласно известной теореме Ван Циттертз - Цернике является Фурье-спектром объекта. С учетом (1)-(3) интенсивность в выходной плоскости интерферометра равна

j(x,y) - Е (г) - 10(1 + . + y,y-x)cos(#(x+y,y-x) + p(x,y)-$-y,x}517569116

kdy + 1 ц (x.y,x hy)cos( 6(x-y x+y) +B(u v -у Й MCfH ПОЛУЧИТЬ Фильтрацией веV2личины G(x у) в фурье-плоскости на частоте

к, причем для построения биспектра доста+ «эГх vl - c(v - xHkdx) - -точно однократной регистрации интерфеул ,yj улу- ; 1 2 у 5 ренционной картины.

Верхний предел изменения п ограни-2x)cos( ,-2х) + (fly -х) - ) -Чен разрешающей способностью блока регистрации (шириной пространственных - kdx - kdy),(4)частот к)10где / и в- модули и фаза КФК.1...

Задача восстановления изображенияа д(/c/k-3Ј0

сводится к определению fi по интерференционной картине (4), регистрируемойАлгоритм построения спектра объекта блоком 11. Для этого строят матрицу произ- 15 по значениям биспектра ведений интенсивностей в трех точках ин- терферограммы следующего вида1В(х,у; -х,у) b(x,y)exp(i /3 (х,у))

G(x,y) l(x у)I(у -x)l(-y,x) (5)сводится к определению фазы спектра и его

20 модуля.

Интенсивность l(x,y) содержит слагав-Фаза биспектра является следующей

мыз, промодулмрованиые пространствен-комбинацией фаз спектра: ными частотами 0, к- , KZ , к ,, где й(о,

kd) 2(kd,o)./3(х,у) 0(х,у) + ф-у.х) -в (х-у,х+у).

Интенсивности t(y x) и (-у,х) содержат25

слагаемые, промодулированные частотамиОткуда получают0,/C|,/C2, К -Ю1,

Произведение G(xy) содержит слагав-0(х-у,х+у) 0(х,у) + 0(-у.х)-Дх,у). (6)

мые комбинации этих частот, в том числе

следующий член, и только его, на частоте 30 Выражение (6) является рекуррентным

Соотношением, позволяющим определить

к 2 (/ft т- К2}фазу спектра на окружности радиуса г, если

она известна в точках окружности в

103М.х+у)/ (-х-ух-у)/4-2у.2х)хменьшего радиуса Выразив аналогичным

1б и г , г//. 1 ,, 1 Iзь образом фазы спектра в правой части (6)

через фазы спектра в точках окружности

х exp(i 0(x-y,x+y) f I -x-y x-y)-1 ,2х)+радиуса г/2, преобразуют выражение (6) к

виду

+ I ЪЪ - 1o3B(u v -v u)exp(i :400(2х 2у) 2в0((Xiy).

и х-у, v х+уу(х,у) /5(х,у) +/3(у,-х) + /3 (х+у,у+х) (7)

где В - неискаженный биспектр объекта.После k-ro применения формулы (7) полБиспектр объекта в общем случае явля- 45 учают ется функцией двух векторных аргументов

г и га и определяется через Фурье-спектр к-1

Stf выражением, 0(2 г) бк - 2 2 е ) (8)

т 3

B(ri,r2) S(n)S(r2)S(-ri,r2).50

где ошибка 5К 2 а( г/2 ) с ростом k

Частота л: отстоит от ближайшей комби-стремится к нулю.

национиой частоты на расстояние k а, а Ши-На произвольном луче, выходящем из

рина сигнала (изображение или егоначала координат, на малом расстояниирот

корреляционные функции) на любой частоте55 . 1 3 Q

не превышает 3 |, где | - угловой размер 7 г 6 r K

спектр-изображениятак как по свойствам биспектра фаза восстаТаким образом при условии а 3Јсво-навдивается без линейного члена

бодный от шума биспектр объекта видаТогда

&

1

4К

S()

где М | D/ А- число разрешаемых злемен- тов объекта вдоль выбранного луча; D - диаметр апертуры.

1 п Точность д обычно достаточна

для практических приложений, Для опреде- ления фазы спектра на базе интерференции 1р с этой точностью достаточно

k

IP D

(9)

членов суммы в выражении (8).

Оценка (9) показывает, в частности, что в области баз, меньших 1,6D/M, для восстз- нЪвления фазы спектра достаточно величи- ны у(г. Для симметричного объекта с действительным спектром величина у(г)также полностью определяет фазу 6(2) (О или я} поскольку в этом случае ошибка 2#{) всегда есть целое кратное 2я,

Для определения модуля спектра находят квадрат интенсивности в интерференционной картине.

Осуществляя фильтрацию I (г) на нулевой частоте в фурье-плоскости, находят ве- личину

DCrbloV C-V.x))+ (х,у)+ з/Ах-у,х+у)). (10)

35

Выражение (10) рекуррентно определяет модуль спектра в любой точке плоскости интерферограммы.

Модуль биспектра связан с модулем спектра соотношениемf40

Ь(х,(х,у) /г(-у.х)/4х-у,х+у). (11)

Используя совместно (10) и (11), получают

«2Г2х (Х;Ч У х)

/г х,у;D ol45

D(х +у,у-х)-D(х- у,х+у) Ь2(х+у,)-Ь2(х-у,х+у)

,-

5

л 5

О

5

0

5

При равных по сравнению с известными устройствами затратах времени на обработку выходной информации использование трехлучевого интерферометра описанной конфигурации позволяет восстанавливать изображение удаленного объекта, наблюдаемого через искажающую среду, по одному кадру, что обеспечивает возможность наблюдения быстродвижущихся или коротко- живующих объектов.

Формула изобретения Устройство для восстановления изображения удаленных объектов, содержащее телескоп, оптически связанный через первый светоделитель с первым и вторым светоот- ражателями и блоком регистрации, интерферограммы, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства за счет расширения класса наблюдаемых объектов, в него сведены поляризатор, расположенный между телескопом и первым светоделителем и оптически связанный с ними, второй светоделитель, расположенный между первым светоделителем и первым светоотражателем и оптически связанный с ними, третий светоделитель, расположенный между первым светоделителем и вторым светоотражателем и оптиче- ски связанный с ними, а также последовательно оптически связанные первая полуволновая пластина, призма Дове, вторая лолуволновая пластина и третий све- тоотражатель, расположенные между третьим и вторым светоделителями и оптически связанные с ними, при этом оптические оси полуволновых пластин параллельны одна другой, а третий светоотражатель образует с осью телескопа угол л/4 + а, причем

3 Ј а (к/k - 3 Ј)

где |- угловой размер изображения;

к - ширина полюса пространственных частот блока регистрации интерферограммы;

k - волновое число.

Изобретение относится к оптической обработке информации и может использоваться для восстановлеТТия изображений удаленных объектов, наблюдаемых через искажающую среду. Цель изобретения - расширение области применения устройства за счет расширения класса наблюдаемых объектов. Снижение времени наблюдения объекта достигается введением в устройство поляризатора, двух светоделителей, све- тоотражателя, призмы Дове и двух полуволновых, пластин. Геометрия оптической системы устройства обеспечивает восстановление изображения по однократно регистрируемой интерференционной картине 1 ил.